글로벌 나노기술 주요국의 나노정보학(NanoInformatics) 현황 및 시사점

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<표 1> 나노기술 지식인프라 중점추진계획의 추진분야 관련 지원 현황 ··· 4 <표 2> 나노기술 지식인프라의 네가지 추진분야 관련 각부처별 참여가능 분야 ··· 7 <표 3> 나노입자와 소재를 이용한 나노의학기술 응용분야 ··· 8 <표 4> 나노기술 지식 인프라의 4가지 추진분야 관련 현황 및 추후 필요사항

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※ 7대 나노기술 산업화 전략 원자‧분자 수준의 제어가 이루어지는 나노기술은 공정 중의 관찰이 불가능하고 실험적 분석이 제한적이므로 계산나노과학*의 보편적 활용을 통해 제품개발 기간‧비용을 절감할 수 있도록 개방형 가상실험 공간을 제공한다. - 정보기술과 모델링 기술을 융합한 멀티스케일 시뮬레이션 및 정보학 기술을 통해 나 노 공정과 나노 시스템을 설계‧예측‧최적화 하는 기술 특히 전 세계적으로 경쟁적으로 나노기술에 투자하고 나노기술 및 관련 연구개발 결과 등 다양 한 정보들이 생산 가공되면서 이러한 정보들을 모아서 분석하고 재가공하여 활용하자는 의견 및 활동들이 증가하였으며, 미국 유럽 등 나노기술 주요국은 정보학 관련 다양한 프로그램을 구성 운 영하고 있다.

본 보고서에서는 미국 나노기술핵심전략(NSI, Nanotechnology Signature Initiative) 중 나노기술 지식인프라(NKI, Nanotechnology Knowledge Infrastucture)에서 발간한 백서와 유럽연합이 ACTION-GRID 프로그램을 통해서 수립한 나노정보학 관련 자료들에 대해 알아보고 분석하여 향 후 나노정보학 및 관련 분야 발전을 지원하기 위한 국가정책의 나아갈 방향을 제시하고자 한다.

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주요국의 나노 정보학 관련 현황

전 세계에서 가장 많은 예산을 연구개발에 투자하고 국가단위의 나노기술 관련 프로그램을 운영 하고 있는 미국과 유럽연합은 2000년대 후반부터 공식적으로 나노정보학 관련 활동들을 시작해 왔으며 세부내용은 아래와 같다.

가. 미국

막대한 예산을 투자하여 연구개발 중인 나노기술 관련 다양한 정보들을 수집하여 효율적 으로 보관, 분석, 사용할 수 있는 모델 생성, 모의실험, 재현성 있는 나노기술 지식 인프 라(나노정보학)를 통해 부처협력을 지원하고 나노기술의 상용화 적극 지원 미국은 다양한 이해당사자(산학연 전문가 등)이 참여하는 국가나노생산네트워크(NNN, National NanoManufacturing Network)를 통해서 2007년 처음으로 ‘나노정보학 전략 워크숍(Workshop on NanoInformatics Strategies)’을 미국 과학재단 및 나노생산센터(Center for Hierarchical Manufacturing) 의 지원으로 개최하였다. 워크숍을 통해 나노정보학 관련 수요, 도전과제 및 우선순위 등이 도출 되었으며 나노기술 관련 정보 생산 현황, 정보 처리(표준화 등) 및 타 분야(바이오 정보학 등)와의 연계를 통해 나노기술 연구개발 및 교육 관련 전략을 방향성을 설정하였다.

이러한 활동들은 소규모로 진행되다가, 2013년 미국 국가나노기술계획(NNI, National Nanotechnology Initiative)에서 나노기술 핵심전략(NSI, Nanotechnology Signature Initiative)의 주요 분야 중 하나로 나노기술 지식 인프라(NKI, Nanotechnology Knowledge Infrastructure)를 출 범하면서 나노정보학 관련 통합 프로그램이 추진되었다. 백악관 산하 국가과학기술위원회(NSTC, National Science and Technology Council)의 나노과학기술소분과(NSET, Nanoscale Science, Engineering and technology)에서는 2012년 3월 나노기술 지식기반 인프라(NKI) 관련하여 백서를 발간하였으며 요약 내용은 다음과 같다.

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야에서 다음의 목표를 달성을 예상하였다. 추진분야 1은 나노과학, 공학, 기술에서 산학연 전문가 연계 강화에서 NKI의 역할 명시하고 있 다. 따라서 모델 및 데이터(추진분야 2), 사이버 도구(추진분야 3), 및 디지털 데이터 및 정보 인프 라(추진분야 4)에서 발생하는 결과의 개발, 유지, 활용을 위한 차세대 작업그룹의 교육과 훈련에 집중하고 있다. 아래 표는 나노기술 지식인프라 중점추진계획의 추력부분을 지원하고 있는 기초지 원 자료를 나타낸다. [그림 1] 나노기술 지식인프라(NKI)의 개요 추진분야 2는 실험 데이터 모델 및 모델링 결과를 공유하여 초기 모델링 협력, 평가, 업적 검토 등을 장려하고 있다. 이것은 추진분야 1에서 언급한 산학연 전문가 네트워크에서 데이터 및 정보 교환을 통해 이론가, 모델 전문가 및 연구자들의 관계를 강화할 것이다. 추진분야 2를 통해 생성 되어 확정된 신규모델은 추진분야 3의 가상 도구 박스를 통해 다양한 커뮤니티에서 활용하게 될 것이다. 또한 추진분야 3에서 생성된 데이터는 추진분야 4에서 언급한 디지털 자료 및 정보 인프 라와 연계될 것이다. <표 1> 나노기술 지식인프라 중점추진계획의 추진분야 관련 지원 현황

Description of NNI-Supported Resource

caNanoLab Cancer Nanotechnology Laboratory Portal of NIH/National Cancer Institute; cabig.nci.nih.gov/tools/caNanoLab.

Extreme Science and Engineering Discovery Environment project (XSEDE; follow-on to Teragrid)

NSF-supported advanced digital network of 16 supercomputers and high-end visualization/data analysis resources; www.xsede.org.

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Description of NNI-Supported Resource

Nano-Hub NSF-supported online simulation resources operated by the Network for Computational Nanotechnology; nanohub.org/.

Nanomaterial-Biological Interactions Knowledgebase

The Nanomaterial-Biological Interactions Knowledgebase, hosted at Oregon State University and supported by EPA, NSF, DOD/Air Force, and NIH; nbi.oregonstate.edu/.

Nanomaterials Registry

Web-based registry project in development by RTI International and three NIH institutes-NCI, NIEHS, and NIBIB-for biomedical and environmental applications of nanomaterials, www.nanomaterialregistry.org

Nanoparticle Information Library A NIOSH tool to help organize and share information on nanotechnology and occupational health; nanoparticlelibrary.net.

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• 전주기 데이터 관리를 포함하는 데이터베이스의 효율적 활용을 촉진하기 위해 데이터 관 리 및 사용을 위한 기준과 절차 • 컴퓨터 정보 데이터 패턴 인식, 데이터 시각화 및 다변량 구조 특성 관계를 포함하는 안 정적이고 효율적인 데이터 분석 툴의 확대 • 강력한 검증 절차 및 기준 데이터 표준 개발 • 데이터, 모델 수집, 공유 및 파일보관 등에 대한 과학자들의 변화하는 요구를 평가하고 충족하는 메커니즘 또한 나노기술 지식 인프라(NKI)는 유관 부처들 이외에 산학연 및 비영리단체 등 다양한 이해당 사자들이 참여하는 행사를 통해 더 많은 수요에 대응하는 유연한 인프라를 구성하고자 한다. 이러 한 목표 달성을 위해 나노기술 지식 인프라의 네가지 추진분야 관련 각 부처별 참여 가능 분야를 표 2와 같이 설정하여 국가나노기술계획(NNI) 구성원(부처)의 책임과 의무에 대해 나타내었다. <표 2> 나노기술 지식인프라의 네가지 추진분야 관련 각부처별 참여가능 분야

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5) 기존 프로그램과의 연계 및 발전

나노기술 관련정보의 취합과 분석 등과 관련된 기존 프로그램들과의 연계를 통해 나노기술 관련 정보 종류와 대상을 확대하고 활용성을 증대

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부록 1

미국 NNI NKI 백서

NNI 서명 이니셔티브 : 나노 기술의 지식 인프라 2012년 5월 14일

국가 과학기술위원회 기술분과 나노 스케일 과학, 공학, 기술 세부분과

나노기술 핵심추진계획(NSI)

나노기술 지식 인프라 : 지속 가능한 디자인의 국가 리더십 활성화 협력기관 : CPSC, DOD, DOE, EPA, FDA, NASA, NIH, NIOSH NIST, NSF, OSHA

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NNI의 전략 계획과 NNI의 환경보건안전 전략에 따라 NNI 관련 부처와 이해당사자들의 연구수 요를 지원하는 기술, 응용 프로그램 및 시스템이 강력한 모델링과 데이터의 정보 인프라를 포함한 기존의 모델링, 시뮬레이션, 데이터의 노력이 추진될 것이다. NKI는 혁신에 미국의 강점을 살린 신제품 개발에 대한 연구에서의 시간을 단축하고 사이버 도구 상자 및 데이터 인프라, 그리고 공 업 나노 재료의 지속 가능한 디자인에서 미국의 리더십을 유지하기 위해 공동 모델링의 기본적인 상호 연결된 요소의 주위에 나노 스케일 과학, 공학, 기술 커뮤니티를 조정한다.

기술 프로그램

상기설명과 그림 1에서 나타난 것처럼 NKI는 상승적으로 만든 나노 기술을 추진하는 것을 돕는 데 필요한 도구를 활용하는 4개의 추진분야 커뮤니티를 개발한다. 추진분야 1은 나노 스케일 과 학, 공학, 기술 발전을 위해 학계, 정부, 산업계 전체에서 연구를 강화하고 연결하는 NKI 중요한 역할을 설명한다. 또한 개발, 유지 보수 및 추진분야 2(모델 및 데이터), 추진분야 3(검증 도구의 사이버 도구 상자) 및 추진분야 4(디지털 데이터 정보 인프라)를 위한 차세대 인력의 교육과 훈련 에 초점을 맞추고 있다. <표 1> 나노기술의 지식 인프라의 서명 이니셔티브에서 식별된 추진분야와 관련된 기초 자원 지원

Description of NNI-Supported Resource

caNanoLab Cancer Nanotechnology Laboratory Portal of NIH/National Cancer Institute; cabig.nci.nih.gov/tools/caNanoLab.

Extreme Science and Engineering Discovery Environment project (XSEDE; follow-on to Teragrid)

NSF-supported advanced digital network of 16 supercomputers and high-end visualization/data analysis resources; www.xsede.org.

InterNano NSF-supported nanomanufacturing resource run by the National Nanomanufacturing Network; www.internano.org/.

Nano-Hub NSF-supported online simulation resources operated by the Network for Computational Nanotechnology; nanohub.org/.

Nanomaterial-Biological Interactions Knowledgebase

The Nanomaterial-Biological Interactions Knowledgebase, hosted at Oregon State University and supported by EPA, NSF, DOD/Air Force, and NIH; nbi.oregonstate.edu/.

Nanomaterials Registry

Web-based registry project in development by RTI International and three NIH institutes-NCI, NIEHS, and NIBIB-for biomedical and environmental applications of nanomaterials, www.nanomaterialregistry.org

Nanoparticle Information Library A NIOSH tool to help organize and share information on nanotechnology and occupational health; nanoparticlelibrary.net.

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• 강력한 검증 절차 및 기준 데이터 표준 개발 • 데이터, 모델 수집, 공유 및 파일보관 등에 대한 과학자들의 변화하는 요구를 평가하고 충족 하는 메커니즘

부처(기관)의 역할과 기여

재료 과학, 화학, 생물학, 공학, 고급 측정 및 특성 평가 과학을 포함한 여러 다양한 전문 분야에 걸쳐 문제를 해결하는 협조 부처 간의 노력이 긴요하게 요구되는 나노 기술의 지식 기반을 확립한 다. NKI는 나노 스케일 과학, 공학, 기술의 속도를 가속하는 데 필요한 인프라를 만드는 데 이러한 빅 데이터 연구 개발 이니셔티브 [11]에서 강조되고 있는 같은 연방 정부 기관 기존 및 신흥 노력 을 활용하고 있다. 개별 기관과 이해 관계자가 지원하는 데이터베이스는 각 데이터 전문가를 통해 세분화 정리된다. 그러나 NNI 웹 사이트의 중앙 액세스 포인트는 더 광범위한 커뮤니티에서 쉽게 액세스 할 수 있도록 데이터를 저장, 관리, 분석, 및 공유할 수 있다. NKI 큰 커뮤니티의 요구를 충족하기에 충분한 유연성을 제공 인프라를 생성하기 위해 일부 연 방 정부 기관 뿐만 아니라 산업계, 학계, 비영리 조직이 참여를 계속하고 있다. 이러한 지속적인 활동은 기존의 상호 작용 예시를 만들고 NKI의 노력을 위해 가능한 접근 및 기회를 제공한다. :

• NIOSH는 "좋은 위험 관리 실무(Good Risk Management Practice)관련 Wiki 기반 GoodNanoGuide 개발과 이행관련 주요 NNI 기관이나 외부의 이해당사자들과 협력하고 있으 며, 2013 년 NIOSH는 GoodNanoGuide [12]과 nanoinformatics에서의 활동을 통합하는 것을 계획하고 있다. • NSF는 모든 자격 취득자에게 나노 스케일 제조, 합성, 특성 분석 및 모델링, 설계, 계산 및 교 육 실습을 할 수 있는 오픈 실습 환경의 광범위한 지원을 제공하는 국립 나노기술 인프라 네 트워크(NNIN) 설립 • NIST의 확대 나노안전(EHS) 프로그램은 공업 나노재료와 나노재료 공학 기반 제품의 제조사 및 표준물질 측정 프로토콜 및 예측 모델 개발에 지속적인 작업을 다른 NNI 기관, 특히 NIOSH, OSHA CPSC 및 EPA와. 주요 나노 스케일의 EHS 대학센터와 지원하고 있다.

표 2는 아래에 설명 키 NKI 추력 영역 및 정부 기관의 개요에 각각 기대되는 기관의 공헌의 영 역을 보여준다.

각 참여기관의 세부 추진분야와 관련된 구체적인 전문 지식과 관점은 다음과 같다.

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DOD : 나노재료의 신규 특성, 잠재적인 용도, 인간의 건강과 환경에 미치는 영향 및 중요한 측 면을 조사하는 연구에 전체 DOD의 과학자들이 적극적으로 참여하고 있다. 이러한 조 사는 데이터를 생성하기 위한 실험실 작업, 데이터 격차를 채우기 위해 모델링 도구의 개발과 응용. 및 데이터베이스, 출판물 및 보다 광범위한 과학적인 집단과 이들의 결과 를 사용하고 공유하기위한 소프트웨어 플랫폼의 개발을 포함한다.

DOE : NSI 이니셔티브는 DOE의 고급 컴퓨팅 (SciDAC) 프로그램을 통해 계산 재료와 화학 네 트워크 (CMCSN)과 과학적 발견과 관련하여 구축된다. 에너지 기술에 관련된 많은 연구 분야에서의 진보는 현재 사용 가능한 재료 및 화학 공정에 의해 제한되며, 기본적으로 나노 스케일을 포함한 다양한 길이와 시간 스케일 전체의 예측 이론 및 모델링 기능에 독립적이다. DOE는 기존 산학연 연구커뮤니티 및 국립연구소는 몰룬 5가지 나노 스케 일 과학 연구 센터 사업을 지원한다. EPA : EPA는 실험적인 시험 및 특성 데이터를 보거나, 표준화된 관계형 데이터베이스 및 모 델 속성 및 개발되고 공유되는 나노물질의 생물 활성 링크가 포함된 결과의 공유를 지 원한다.

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NIOSH : NIOSH는 작업장에서의 기존 및 신규 나노기술 관련 나노입자 정보 라이브러리, 나노 정보학 도구 및 실제 데이터를 지원한다. 작업장에서 노출에 대한 데이터. 나노물질의 분류에 노출의 독성 효과의 실험적 증거와 모델링. 컨트롤의 유효성에 관한 지식과 데 이터, 그리고 지속 가능한 나노 기술을 지원하기위한 도구 및 지침 및 노출 한계를 권 장한다.

NIST : NIST는 측정 및 데이터 정보 과학의 오랜 노하우를 활용한다. NSI을 지원하는 NIST 활 동은 소재의 발견과 최적화를 위한 안정적인 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션을 가능하게 하는 기준 데이터 및 데이터 관리 인프라의 개발에 초점을 맞추고 있는 고급 소재가 포 함된다. 이러한 활동은 DOE와 NSF에 포함 된 소프트웨어와 실험 도구의 설계, 위의 다 른 기관의 노력에 따라 조정된다. NSF : NSF는 NSI는 사이버 대응의 발견과 혁신에 투자하고 이러한 혁신을 지속할 수 있는 소 프트웨어 기반으로 21 세기 프로그램에 대한 사이버 인프라의 프레임 워크 내에서 지원 한다. NSF 프로그램도 나노 스케일 물질과 공정을 위한 특정 데이터베이스를 통해 NKI 에 기여하고 있다. 다른 스케일에서의 특성 및 행동 관련 모델에 대한 변혁의 생각. 나노 물질의 발견과 생산을 촉진하기 위해 나노기술의 사이버 도구의 개발과 이용을 지원하기 위한 계산 및 통계 기법의 연장; 기본적인 이론과 모델링의 진보, 소프트웨어 예제의 결 과를 재현하는 데 필요한 파라미터와 파일 및 기타 관련 정보를 포함하고 특정 컴퓨터 아키텍처에 최적화. 차세대 과학 패브릭 사이버 도구 상자를 통합하는 차세대 모델링 커 뮤니티의 훈련을 포함한다. OSHA : OSHA는 나노재료의 다양한 카테고리에 노출 생물학적 및 독성학적 데이터 수집과 해 석의 영역에서 전문성과 지원을 제공한다.

소재 게놈 이니셔티브(MGI)와의 연계

소재 게놈 이니셔티브 (MGI)는 국내 첨단 재료의 발견과 전개를 가속하는 다중 이해 관계자의 노력이다. NKI와 MGI위한 시너지 영역은 NKI의 모든 4 개의 중점 추진분야에 있으며 특히 커뮤 니티 구축 프로토콜과 데이터의 모범 사례가 포함되어 있다. MGI와 NKI의 연계는 상호 호혜적 이 익을 가져올 것이다. 따라서 NNI 및 MGI 모두에 직접 기여하는 NSI는 최초로 영향을 미치는 설명 된 NKI 활동이며 관련 연방 부처의 구현을 위한 노력이 포함된다.

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부록 2

유럽연합 ACTION-GRID 백서 총괄요약(Executive Sumary)

도입 및 이유

ACTION-Grid는 2008년부터 2010년까지 유럽연합 집행위원회(EC)가 지원한 자금지원(SA)이며, ACTION-Grid는 7개의 파트너[UPM(코디네이터, 스페인), ISCIII(스페인), FORTH(그리스), UTalca (칠레), HIBA(아르헨티나), HealthGrid(프랑스)과 UniZg(크로아티아)]로 구성되어 있다.

[Figure 1] Geographical distribution of the ACTION-Grid partners and experts

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방법론

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료의 특성화 모델과 원자 수준에서 전산모사에 적용되고 있다. 이것은 특히 그 특별한 정보 요구 에 대한 훌륭한 과학 기술의 전망을 제공한다.

[Figure 2] Links between Nanoinformatics and other disciplines

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이다. 이것은 나노입자의 잠재적인 독성과 시술 영향 등 중요한 이슈에 대한 이해를 필요로 하며 나노입자와 나노기기 등의 응용에 중요한 의미를 시사하고 있다. 효과적이고 효율적으로 이러한 모 든 데이터를 관리하기 위해서는 관련 정보를 파악하고, 결과 정보와 나노입자 구조와 생물학적 환 경에서 영향을 모아서 모델링하는 신규 컴퓨터 기술을 개발하여 구조/활성 연관성과 임상적 결과를 도출하여야 한다. 임상 응용과 관련하여 이미 몇 가지 나노입자와 나노장치가 FDA에 의해 승인되 거나 고급 임상시험 중이다. 나노 약품의 응용분야는 표 1에서 강조 표시된다.

<Table 1> Applications of Nanomedicine

Examples of applications in nanomedicine

Smart sensors

Monitoring bodily function, diagnosing disease states, or controlling intelligent devices located in hospitals or at home - such as nanowire systems for diagnosis using a single drop of blood

New methods for molecular

imaging Early detection of diseases Implantable materials and

devices

For tissue repair and replacement and for therapies such as restoring vision and hearing functions

Nanorobots Devices that combine diagnostic and therapeutic features, such as individual cell surgery in vivo or improvement of natural physiological function

Targeted drug delivery to diseased tissues

Using nanoparticles to take advantage of the enhanced permeability and retention (EPR) effect due to the leaky vasculature and decreased lymphatic drainage in tumors

Selective treatment of

diseased tissues Using plasmon resonance absorption of nanoshells to kill cancerous tissues Overcoming solubility

Limitations of new and existing drugs

Nanoparticles and nanosystems designed for drug delivery within cells

Gene identification Detecting the presence of a sequence in a genetic sample using gold nanoparticles Gene delivery Transporting DNA into cells for gene therapy

Theragnostics

Already introduced in pharmacogenomics, it associates both a diagnostic and a new therapy. In nanomedicine it can integrate diagnosis and therapy into a single procedure involving nanoparticles

Nanomotors

Efficient conversion of chemical energy into mechanical work and potential for self-assembly into larger structures will facilitate hybrid micromachines, artificial and natural, for repairing neurons or muscles

재생의학

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대상으로 하는 새로운 조영제를 만드는 것이다. 이 분야의 연구는 예를 들면, 수송자, 자성 나노입 자. 동공 바이러스, 또는 외부의 MRI, 레이저, 방사선 치료로 CT 스캔 또는 초음파와의 조합 등을 포함한다. 주요 기술적 과제는 a) 루틴과 생물학적 시료 중의 바이오 마커의 정확한 분석 b) 정교 한 알고리즘 분석을 위한 통합 데이터 및 다중 분석, 또는 c) 3차원 체외 현미경 또는 채내 분자 이미징과 같은 분석 이미지 기술의 통합을 포함한다. 여전히 의용생체 정보학 등의 영역에서 생물 의학 정보의 통일 이론이 부족하다. 비트와 컨텀 수준에서 정보의 측정 비트에서 분석은 기본적인 영역에서 새로운 통찰력과 연구로 이어질 수 있다. 5) 기존 전자보건기록을 확장하여 나노관련 정보를 취합하여 진단, 치료 및 나노물질의 잠 재적인 독성 영향을 분석 가장 명확한 과제 중 하나는 환자의 전자기록정보에 나노 약품 관련 데이터를 연결하는 방법이 다. SNOMED 또는 HL7 과 같이 전자기록정보를 교환하기 위해 새로운 표준(나노 관련 정보 용어 및 절차 등)은 데이터를 저장하거나 임상 어휘와 용어 를 증대시키기 위해 필요하다. 나노 입자의 사용과 관련하여 환자의 안전과 가능한 보조 효과와 관련된 질문을 해결해야한다. 생물 의학 및 생물 정보학 자원의 이전 재고가 재사용 된 나노 수준으로 확장 할 수 있다. 추출 된 정보를 사용 하여 nanotype과 같은 나노입자의 카탈로그를 구축하는 것은 임상 시험에서 나노 장치 사용 의학 연구를 가능하게 한다. 나노 관련 정보의 대규모 데이터베이스의 생성은 전자보건기록을 구축하기 위한 새로운 접근 방식을 통해 보완 할 수 있다. 그것은 많은 연구자들이 공동의 노력이 필요하다. 새로운 나노재료을 이용한 새로운 진단 및 치료 방법은 현재 대부분이 "오믹스" 기반인 개인 맞춤 의학의 진보를 이뜰어 낼 수 있다. 나노 정보를 포함 EHR의 새로운 모델은 의사 결정과 환자 관 리를 위한 임상 지침에 대한 시스템 및 보조 비평 등 의료 전문가에 의해 사용하기 위해 개발되어 야한다.

Key issues for Research and EC Programmes

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수치

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참조

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